JPH083764B2

JPH083764B2 - 線形ソラー・アレー電圧調整器

Info

Publication number: JPH083764B2
Application number: JP62225473A
Authority: JP
Inventors: ジョセフカレンパトリック; デビッドビングレイジョン; アボットニューエルリチャード
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-09-10
Filing date: 1987-09-10
Publication date: 1996-01-17
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: US4706010A; FR2603716A1; DE3730440A1; GB2195191A; GB8721289D0; JPS63113711A; FR2603716B1; GB2195191B

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景発明の分野この発明はソラー・アレー電圧制御装置、特に、電圧
アレー電力母線の線形制御を用いるソラー・アレー電圧
制御装置に関する。

従来技術の説明典型的な太陽電池で給電される母線は、電力母線と復
帰母線（大地）の間に並列に接続された複数個の太陽電
池アレーを持っている。電圧制御装置がない時、電力母
線の電圧レベルは、太陽電池の効率（これは時間と共に
低下する）、異なる温度状態、異なる照明状態及び異な
る負荷状態のもとで広い範囲の値をとる。電圧制御装置
の目的は、電圧変化を招く様に作用する上に述べた問題
があっても、電力母線の電圧を一定に又は望ましくは一
定に近い値に保つことである。

定電圧を保つ為の種々の分路構造が知られている。あ
るものはディジタル形であり、これは母線の電圧がある
範囲の電圧の中に保たれることを意味する。あるものは
線形であって、バイアス電圧が正確に保たれるが、かな
りのハードウエアのコスト及び重量を要する（この様な
太陽電池がしばしば用いられる人工衛星では、重量が問
題である）。１形式の線形装置では、複数個のバイポー
ラ・トランジスタと散逸抵抗の組合せが、電力母線と共
通母線の間に並列に入っている。過剰の電力がトランジ
スタ及び抵抗で散逸される。別の並列調整装置では、ト
ランジスタを夫々のアレーのタップと復帰母線の間に接
続する。この様な部分的な分路装置では、コレクタ散逸
抵抗を用いない。部分的な分路を用いる時、種々のトラ
ンジスタをターンオン及びターンオフし、こうして各々
のアレーの内、夫々のトランジスタによって分路される
部分の両端の電圧を下げ、こうして電力母線の電圧を所
望の値に調節する。部分的な分路は、大抵の点で、完全
分路より優れている。完全分路はアレーの電流を母線電
位そのものゝ値で散逸しなければならないが、部分的な
分路は、トランジスタを接続した各アレーの一部分だけ
の一層低い電圧で、同等の電流を散逸する。上に述べた
電圧制御装置の欠点は、部分的な分路装置では、散逸が
幾分少なくなるけれども、合計散逸量が高いことであ
る。この様に散逸量が高い為に、重量の重い放熱構造が
必要である。

発明の要約電力母線、復帰母線、及び該電力母線及び復帰母線の
間に並列に配置された複数個（Ｎ個）の太陽電池アレー
を持つ太陽電池電力母線装置で、電力母線と復帰母線の
間に所望の電圧を保つ電圧調整器が、（Ｎ−１）個のア
レーと復帰母線の間に夫々接続された（Ｎ−１）個のス
イッチを持っていて、スイッチはオンに切換った時、関
連するアレーの少なくとも一部分を完全に分路する様な
ディジタル手段と、Ｎ個のアレーの内の残りの１つ及び
復帰母線の間に結合されていて、該残りのアレーを通過
する電流を測定する線形分路手段とで構成されている。
線形分路手段はディジタル手段にも結合されている。電
流のレベルに応答して、線形分路手段が、（Ｎ−１）個
のアレーに接続された種々の分路スイッチをオン及びオ
フに切換え、残りのアレーを線形に分路して、電力母線
及び復帰母線の間に所望の電圧を保つ。

好ましい実施例の詳しい説明第１図について説明すると、破線10の左側及び下側に
ある部分が、この発明の好ましい実施例の電圧調整回路
の一部分である。破線10の右側及び上側にあるのは、太
陽電池発電システムの部分である。典型的には太陽電池
発電システムが、電力を利用する種々の負荷（図に示し
てない）が接続されている共通の電力母線12と、第１図
では（１本の線ではなく）大地の記号14で示された復帰
母線と、母線12及び復帰母線の間に並列に配置された複
数個（Ｎ個）のソラー・アレーとを持っている。例とし
て、４個のアレー16a,16b,16c及び16nが示されている。
Ｎの典型的な数は16又は32である。

第３図には太陽電池アレーが更に詳しく示されてい
る。20に示す様な各々の円が太陽電池を表わす。アレー
は母線22及び24の間にある「上側」部分と、母線26及び
母線28の間にある「下側」部分とに分割されている。タ
ップ30が２つの母線24,26を一緒に接続する。母線22が
ダイオード32の陽極に接続され、その陰極が母線12に接
続される。母線28が復帰母線14に接続される。「上側」
部分について云うと、太陽電池は、Ｙ個の直列接続した
太陽電池のＸ個の並列のストリングに配置されている。
例えばＸは10、Ｙは33であってよい。この為、10列の太
陽電池があり、各列が母線22及び母線24の間に直列接続
された33個の電池を含む。「下側」部分では、例えば夫
々50個の電池を直列に持つ並列の10行があることがあ
る。照明された時、ソラー・アレーが、復帰母線14の電
圧に対し、ダイオード32の陽極に正の電圧を発生する。

第１図に戻って、例としてソラー・アレー16nについ
て云うと、これはダイオード32を介して母線12に接続さ
れた上側部分34、及び大地14に接続された下側部分36を
持っている。タップ30が上側部分及び下側部分34,36に
接続される。上側部分のボックス34及び下側部分のボッ
クス36の中にある数は、前に第３図について説明した並
列接続及び直列接続の数を表わす。

次に電圧制御装置について説明すると、母線12及び復
帰母線14の間に抵抗R1及びR2で構成された分圧回路が接
続されている。抵抗R1及びR2の接続点38が演算増幅器40
の非反転（プラス）入力に接続され、電圧基準源42がそ
の反転（マイナス）入力に結合されている。増幅器40の
出力が電圧制御装置の部分的な線形分路部分、具体的に
云うと、破線のボックス46の中に入っている演算増幅器
44に接続される。増幅器40の出力が、例えば20乃至40の
利得を持つ電圧増幅器50の入力にも結合されている。増
幅器50の出力が比較増幅器52b,52c,52nのプラス入力と
比較増幅器54b,54c,54nのマイナス入力とに接続されて
いる。文字b,c,nはソラー・アレー16の同じ文字に関係
する。電圧基準源64が抵抗分圧回路66を介して復帰母線
14に結合される。

分圧器の種々のタップが増幅器52n,52c,52bのマイナ
ス入力及び増幅器54b,54c,54nのプラス入力に接続され
る。

増幅器52b,52c,52nの出力が夫々フリップフロップ72
b,72c,72nのセット入力（Ｓ）に結合され、増幅器54b,5
4c,54nの出力が夫々フリップフロップ72b,72c,72nのリ
セット入力（Ｒ）に結合される。フリップフロップ72b,
72c,72nのＱ出力が夫々電力用金属酸化物半導体電界効
果トランジスタ（MOSFET）86b,86c,86nのゲート入力に
接続される。MOSFET86b,86c,86nのソースが母線14に接
続され、夫々のドレインが夫々ソラー・アレー16b,16c,
16nのタップ30b,30c,30nに接続される。

破線のボックス46の中にある線形分路部分は、基本的
にはトランスコンダクタンス増幅器であり、演算増幅器
44と、トランジスタQ1及び並列接続の５個１組のトラン
ジスタQ2乃至Q6（その内の２つ、即ち、Q2及びQ6だけが
示されている）からなるダーリントン装置とで構成され
ている。ベース抵抗R3が増幅器44の出力とトランジスタ
Q1のベースの間に接続される。NPNトランジスタQ2乃至Q
6のエミッタが夫々エミッタ抵抗R6乃至R11を介して共通
点92に接続される。増幅器44の反転入力に対し、点92か
ら抵抗R4を介して帰還が施されている。電流感知抵抗R5
が共通点92と復帰母線14を接続している。抵抗R5は典型
的には0.1オームと云う様な非常に小さい値である。抵
抗R5が、アレー16aの下側部分、トランジスタQ1乃至Q
6、抵抗R6乃至R11及び抵抗R5を含む通路の電流を測定す
る。ブロック46にあるトランスコンダクタンス増幅器の
性質により、増幅器50の出力電圧は抵抗R5を通る電流に
正比例する。増幅器44及びトランジスタQ1乃至Q6の組合
せの閉ループ伝達関数は1/R5である。増幅器40からの電
圧V₀もR5の両端にかかり、その結果R5を通る（V₀/R5）
が生じ、I_R5／V₀＝1/R5が、ブロック46内にある線形分
路部分の伝達関数である。

以下の説明では、電力母線12の所望の電圧が、復帰母
線14に対して35ボルトであり、VR1が10ボルトに設定さ
れ、VR2が18ボルトに設定され、R1が25キロオームであ
り、R2が10キロオームであると仮定する。これらの値は
例に過ぎない。こういう例の数値を用いた分圧器66の種
々の点に於ける値が書込まれている。

比較器52、比較器54、フリップフロップ72及びトラン
ジスタ86の動作は次の通りである。任意の比較器52の＋
端子電圧が−端子の電圧より高い時、出力は相対的に高
い正の電圧である。逆に、−端子が＋端子よりも高い電
圧であると、出力は相対的に低い正の電圧である。フリ
ップフロップ72のＳ端子に於ける負からの正への変化に
より、フリップフロップがセットされる（Ｑ出力が相対
的に高い電圧になる）。フリップフロップ72のＲ端子に
於ける負から正への変化により、フリップフロップがリ
セットされる（Ｑ出力が相対的に低い電圧になる）。フ
リップフロップ72のセット状態により、それに関連する
トランジスタ86がターンオンする。フリップフロップの
リセットにより、関連するトランジスタ86がターンオフ
になる。トランジスタが「オン」である時、そのドレイ
ン及びソース端子の間のインピーダンスが非常に小さ
く、こうしてソラー・アレー16の関連する下側部分を分
路又は短絡する。トランジスタが「オフ」である時、そ
のドレイン及びソース端子の間のインピーダンスは非常
に大きい。

こゝで太陽電池が、太陽光を全く又は殆ど受けない位
置から、非常に明るい光を受取る位置へ、その後殆んど
或いは全く光を受けない位置へ順次進んでいくと仮定す
る。太陽電池は地球の回りを回転する人工衛星システム
（図に示してない）の一部分の上に取付けられている
為、又は太陽電池が地上にあって、地球が昼間及び夜間
の期間の様に、太陽に対して回転している為に、こうい
う状況が起り得る。非常に大きな負荷が母線12及び14の
間に接続されるか又は切離された場合、同じ現象が起る
から、今述べたことは１例に過ぎないことを承知された
い。

従って、ソラー・アレーに光が差向けられない時、点
38の電圧はゼロ・ボルト又はその近くであり、増幅器40
の−端子に印加される10ボルトより低いことは確かであ
る。その結果、トランジスタQ2乃至Q6のインピーダンス
は非常に大きく、アレー16aの端子30aと復帰母線14の間
で分路作用は起らない。即ち、アレーの下側部分16lは
分路されない。更に、全てのフリップフロップ72がリセ
ットされ、全てのトランジスタ86がオフであり、この為
どのアレー16でも分路作用は起らない。

アレー16が次第に多くの光を受取るにつれて、点38が
一層高い電圧に上昇し、最後に、電力母線12が35ボルト
に上昇する時、10ボルトに達する。太陽電池が更に多く
の光を受取り、その為、母線12の電圧が35ボルトを越え
ようとすると、増幅器40の出力が正になり、トランジス
タQ2乃至Q6が次第に導電を強め、ソラー・アレー16aの
下側部分16lで起る分路作用が次第に強まり、こうして
抵抗R5を通る電流が更に増加して、母線12を35ボルトに
保つ。太陽電池が更に多くの光を受取るにつれて、トラ
ンジスタQ2乃至Q6は、それらがいっぱいに導電する時、
飽和に近い点に達し、こうしてアレーの下側部分16lを
完全に分路する。従って、他の条件が同じであるとする
と、アレーに入射する光が更に増加すれば、母線12の電
圧が35ボルトを越えて上昇する。然し、増幅器50からの
電圧が増加し、10ボルトに達し、それを越える。その
時、比較器52bが高出力を発生し、それがフリップフロ
ップ72bをセットし、トランジスタ86bをターンオンし、
こうしてアレー16bの下側部分を完全に分路する。

アレー16bが分路された時、母線12の電圧が35ボルト
より下がる。トランジスタQ2乃至Q6が非導電になり、抵
抗R5を通る電流は０近くに減少する。

最後には、尚更多くの光がアレーに入射する時、トラ
ンジスタQ2乃至Q6で再び飽和に近い状態が起る。増幅器
50の出力が10.1ボルトを越えて上昇し、フリップフロッ
プ72cをセットし、それによってトランジスタ86cがター
ンオンし、こうしてアレー16cの下側部分を分路する。
更に多くの太陽光がアレーに達すると、上に述べた過程
が繰返されて、他の部分が分路される。ブロック46内に
ある線形分路部分が線形である為、アレーに到達する光
が増加しても、或いは母線12に結合される負荷が減少し
ても、（母線12を35ボルトまで上昇させるのに十分な光
が一旦アレーに到達すれば）電力母線12の実際の電圧出
力は一定である。

次にアレー16に達する光が減少し始め、アレーに達す
る光が全くなくなる位置まで減少し続けると仮定する。
最初に、線形分路部分46による分路作用が、全く分路作
用が起らなくなる点に近い所まで減少する。最後には、
増幅器50の電圧出力が１ボルトに下がり、それよりも下
がる。その時、比較器54bが負から正への電圧変化を発
生し、それがフリップフロップ72bをリセットし、トラ
ンジスタ86bをターンオフし、こうしてアレー16bの下側
部分から分路を除く。そういうことが起った時、母線12
の電圧が35ボルトより上昇しようとし、増幅器44の＋端
子には、その−端子に比べて正の電圧を印加し、トラン
ジスタQ2乃至Q6が導電して、アレー16lで完全な分路作
用が起る様にする。光のレベルが引続いて低下すると、
フリップフロップ72cがリセットされ、それに関連する
トランジスタ86cがターンオフになり、アレー16cの下側
部分から分路作用が除かれる。最後に、光がもう一度十
分少なくなって、増幅器50の電圧出力が0.1ボルトより
下がると、アレー16nから分路作用が除かれる。

正味の効果として、母線12が35ボルトに達する様にす
るのに十分な光がある限り、ソラー・アレーに到達する
光量に関係なく、この母線は35ボルトにとゞまる。１
つ、即ち16aを除いた全てのアレーはディジタル形分路
作用を持つが、即ち、分路が完全にオンであるか或いは
完全にオフであるが、ブロック46内にある１つの線形ア
レーの為、広い範囲の光及び負荷状態にわたって、母線
12には一定の電圧が保たれる。

R5を通る線形電流を測定することにより、電圧制御回
路は、トランジスタQ2乃至Q6の実際のコレクタ・エミッ
タ間電圧を測定しなくても、線形分路部分Q2乃至Q6の導
電状態を感知する。R5の両端の電圧は、増幅器50によっ
て増幅された時、どのスイッチ配列部分86がオン又はオ
フになるかを選択する根拠になる。線形アレー部分16a
の電流出力と開閉される任意のアレー部分16b,16c……1
6nの電流出力の間に十分な重なりがない場合、分圧器66
の１つの上側閾値電圧（例えば10.1ボルト）でスイッチ
86をターンオンする動作により、線形電流が、この電流
に相応して、点92に現われる電圧（これは増幅器44の＋
及び−入力にも現れる）が増幅器50により増幅されて下
側の閾値電圧（例えば0.9ボルト）に達するような電流
値まで減少して、オンに切換えられたアレー部分が再び
オフに切換られることがあり、このためシステムがオン
及びオフに切換えられる状態の間を振動して望ましくな
い。他のアレーでは太陽電池の並列のストリングが10個
であるのと対照的に、アレー16aには20個の並列のスト
リングがある為、こういう問題は起らない。

第２図について説明すると、太陽電池アレー16、ブロ
ック46内の線形分路部分、及び増幅器40と電圧基準源42
で構成された誤差増幅器部分は、第１図と同じである。
ディジタル形比較器部分は、破線のブロック88内にある
素子で構成されていて、これがある点で第１図のブロッ
ク88内にある比較器の素子と異なっている。特に、分圧
回路66は、電圧基準源64と復帰母線14の間に結合された
直列接続の３つの抵抗R13,R14,R15だけで構成される。
上側及び下側の電流限界に達した時を検出する為の２つ
の比較器52,54しかない。

上側電流比較器52の出力が排他的オア・ゲート90の一
方の入力に結合され、下側電流比較器54の出力が排他的
オア・ゲート90の２番目の入力及びナンド・ゲート92の
一方の入力に結合される。排他的オア・ゲート90の出力
が、ナンド・ゲート92及びアンド・ゲート94の夫々の一
方の入力に結合される。例として10kHzのクロック速度
を持つクロック96が、アンド・ゲート94の２番目の入力
に結合される。アンド・ゲート94の出力がシフト・レジ
スタ98のクロック入力（Ｃ）に結合され、ナンド・ゲー
ト92の出力がレジスタ98のS0入力に直結になっていると
共に、インバータ99を介してシフト・レジスタ98のS1入
力に結合されている。S0がデータ信号を受取り、S1がシ
フト方向を表わす信号を受取る。シフト・レジスタ98の
S0入力の高レベル（S1の低レベル）により、シフト・レ
ジスタ98が上向きにシフトし、スイッチ86bを、そして
その後はスイッチ86c等を順次作動する。逆に、S0の低
（S1の高）が下向きのシフトを行なわせる。スイッチン
グ・トランジスタ86と同じ数のシフト・レジスタ98の出
力があり、この為１つの出力が関連するトランジスタ86
のゲートに接続される。

第２図の回路の動作は、ブロック88内にある比較器部
分の動作を別とすると、第１図と全体的に同じである。
以下の動作の説明では、第１図と同じく、最初は太陽電
池アレーに光が達せず、その後太陽電池アレーに達する
光が増加し、最後に太陽電池アレーに達する光が次第に
少なくなり、ついには全く達する光がなくなると仮定す
る。この為、トランジスタ86がオフであり、どの太陽電
池アレーでも分路作用が起らない。従って、次第に多く
の光が太陽電池アレーに達するにつれて、最後には破線
のブロック46内にある線形部分が飽和に近い状態に達
し、比較器52の＋入力の電圧が例えば負の入力の５ボル
トより上昇する。そういうことが起ると、＋信号が排他
的オア・ゲート90に送られ、その出力を高にし、アンド
・ゲート94及びナンド・ゲート92の各々に高の信号を供
給する。

クロック源96から次の一時的に正のクロック・パルス
が発生した時、アンド・ゲート94が作動されて、シフト
・レジスタ98に対して正のクロック・パルスを供給す
る。更に、増幅器54が相対的に低の電圧を発生している
から、ナンド・ゲート92は不作動であり、この為シフト
・レジスタ98のS0入力には相対的に高の信号が印加さ
れ、S1入力には相対的に低の信号が印加され、Q_bに相対
的に高の信号が出力される様な向きのシフトを行なわせ
る。シフト・レジスタ98が、クロック・パルスに応答し
て、そのQ_b出力に相対的に高の信号を発生し、トランジ
スタ86bを導電させ、アレー16bの下側部分を分路する。
この為、破線のブロック46内にある線形増幅器の飽和に
近い状態が終り、線形増幅器部分は実質的に開路になっ
て、アレー16aから分路を取除く。更に光が増加する
と、最後には線形部分で再び飽和に近い状態に達する。
比較器52が高の信号を発生し、最終的にはシフト・レジ
スタ98のもう１回のシフトが起り、Q_c出力が高になり、
トランジスタ86cがターンオンし、アレー16cが分路され
る。種々の光の状態及び負荷（図に示してない）状態の
ものとで、電力母線12を電力母線14に対して所望の電圧
に保つのに必要な回数だけ、この手順が繰返される。

太陽電池に達する光が次第に低くなり、分路を除きた
い場合、線形部分46の分路作用が小さな値に減少し、そ
の為増幅器50の出力に低の電圧信号が現れる時、比較器
54がターンオンになり、相対的に高の出力を発生し、そ
れが排他的オア・ゲート90を介してアンド・ゲート94及
びナンド・ゲート92に送られる。クロック源96からの次
のクロック・パルスにより、アンド・ゲート94から相対
的に高の出力がシフト・レジスタ98のクロック入力に供
給される。然し、今度は、ナンド・ゲート92が作動され
る。これは、それが排他的オア・ゲート90からの相対的
に高の出力と比較器54からの相対的にそ高の出力との両
方を受取っているからである。その結果、アンド・ゲー
ト92の出力からシフト・レジスタ98のS0入力に対しては
相対的に低の信号が発生され、S1入力に対しては高の信
号が発生されて、Q_b……Q_nチェーンに０を通過させる。
光が減少する時、逆方向のシフト動作が起り、０が最初
はシフト・レジスタ98の最後のＱ出力に印加されて、高
になり、更にシフトが起るにつれて、最終的にはQ_bに０
が印加される。この場合も、１つを除いた全ての分路が
ディジタル形である為、この１つの線形分路が、母線12
に対する正確な制御作用が保たれることを保証する。

【図面の簡単な説明】

第１図はソラー・アレーに定電圧を保つこの発明の好ま
しい実施例の第１の電圧調整器回路の回路図、第２図は
別の電圧調整器回路を示す回路図、第３図は第１図及び
第２図の電圧制御回路に使われる典型的な太陽電池アレ
ーを示す回路図である。［主な符号の説明］ 12:電力母線 14:復帰母線 16a,16b,16c,16n:太陽電池アレー 20:太陽電池 42,64:電圧基準源 50:電圧増幅器 86b,86c,86n:電界効果トランジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力母線、復帰母線、及び該電力母線及び
復帰母線の間に並列に配置された複数個（Ｎ個）の太陽
電池アレーを持つ太陽電池電力母線装置で、前記電力母
線及び復帰母線の間に所望の電圧を保つ電圧調整器に於
て、（Ｎ−１）個の前記アレーと前記復帰母線の間に夫
々接続された（Ｎ−１）個の分路スイッチを持ってい
て、スイッチが、オンに切換った時、それに関連するア
レーの少なくとも一部分を完全に分路する様なディジタ
ル手段と、前記Ｎ個のアレーの内の残りの１つ及び前記
復帰母線の間に結合されていて、該残りのアレーを通る
電流を測定し、前記ディジタル手段にも結合されている
線形分路手段とを有し、前記ディジタル手段は、前記電
流のレベルに応答して、前記（Ｎ−１）個のアレーに接
続された種々の分路スイッチをオン又はオフに切換える
手段を含んでおり、前記線形分路手段は、前記電力母線
及び復帰母線の間に所望の電圧を保つ様な量だけ、前記
残りのアレーを線形に分路する電圧調整器。